FR2700890A1 - Dispositif à transistor composé à effet de champ ayant une électrode de Schottky. - Google Patents

Dispositif à transistor composé à effet de champ ayant une électrode de Schottky. Download PDF

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Abstract

Une couche de barrière à potentiel élevé (14) de AlGaAs de type i est formée sur une couche active (13) de GaAs de type n du côté drain, la couche de barrière de potentiel ayant une bande interdite d'énergie plus large que la couche active. Une électrode de source (15) établissant un contact ohmique avec la couche active (13) et une électrode de drain (16) sont formées de manière à interposer entres elles une électrode de grille (17). Le courant ne circule pas facilement via le trajet drain-grille, mais, par contre, il circule facilement via le trajet grille-source. L'électrode de grille (17) est formée de manière à monter sur le bord de la couche de barrière de potentiel (14) et à établir des contacts de Schottky avec la couche active (13) du côté source et avec la couche de barrière de potentiel (14) du côté drain.

Description

i La présente invention concerne un dispositif à semiconducteur à effet de
champ et, plus particulièrement, un dispositif à semiconducteur composé à effet de champ qui est en mesure de fonctionner avec un signal de grande amplitude et
une fréquence élevée.
De façon générale, les semiconducteurs composés possèdent une plus grande mobilité électronique que les semiconducteurs au silicium Les dispositifs à
semiconducteur à effet de champ possédant une couche de canal en semiconduc-
teur composé sont connus comme étant des dispositifs à semiconducteur pouvant
fonctionner à une fréquence élevée On utilise largement ces dispositifs à semi-
conducteur à effet de champ, par exemple, dans le domaine des superordinateurs,
des transmissions en ondes ultracourtes, etc En particulier, on demande aux dis-
positifs à semiconducteur utilisés pour les transmissions en ondes ultracourtes par
postes mobiles d'avoir une faible consommation électrique et un rendement élevé.
Un transistor à effet de champ métal-semiconducteur (MESFET) uti-
lise un semiconducteur composé et possède une électrode de Schottky L'utilisation d'un semiconducteur composé permet au MESFET de fonctionner à une vitesse élevée. On commande le courant circulant entre le drain et la source d'un MESFET en appliquant à l'électrode de grille de Schottky une tension de sens inverse afin de créer une couche d'appauvrissement Dans un fonctionnement à grands signaux, on applique un signal de grande amplitude à l'électrode de grille de façon que la tension présente sur l'électrode de grille varie beaucoup Lorsqu'on applique instantanément à l'électrode de grille une grande tension de polarisation inverse, le courant drain-source diminue et la tension de drain augmente De ce fait, une tension élevée est appliquée entre l'électrode de grille et l'électrode de drain Lorsque la tension drain- grille dépasse la tension de claquage de l'électrode
de grille de Schottky, un courant de grille inverse circule.
Lorsqu'on applique instantanément à l'électrode de grille une tension
de polarisation de sens passant, un courant de grille de sens direct circule de l'élec-
trode de grille à l'électrode de source Ce courant de grille direct rend sensiblement
plus profonde la polarisation de grille, ce qui diminue le courant de drain.
Il est préférable qu'une électrode de grille de Schottky ait une forte
tension de claquage en sens inverse et que le courant de grille de sens direct (c'est-
à-dire de sens passant) soit injecté facilement pendant le fonctionnement en pola-
risation de sens passant.
Pour réaliser un MESFET qui possède une électrode de grille de Schottky à tension élevée de claquage inverse, il a été proposé de former une couche de barrière de potentiel à bande interdite large entre la couche de canal et l'électrode de Schottky Alors que cette couche de barrière de potentiel améliore la tension de claquage inverse de l'électrode de grille de Schottky, la capacité d'injec- tion de courant pendant le fonctionnement en polarisation de sens passant est abaissée. Cest un but de l'invention de produire un dispositif à semiconducteur
composé à effet de champ de qualité élevée.
Un autre but de l'invention est de produire un dispositif à semiconduc-
teur composé à effet de champ possédant une électrode de grille de Schottky à tension de claquage élevée et une excellente capacité d'injection de courant en sens passant. Selon un premier aspect de l'invention, il est proposé un dispositif à
semiconducteur à effet de champ comprenant: une couche active de semiconduc-
teur composé, une paire de structures d'électrode de courant formées sur ladite couche active et établissant des contacts ohmiques avec celle-ci, une électrode de grille disposée entre les deux structures d'électrode de courant et sur ladite couche active et établissant un contact de Schottky avec celle-ci, et un moyen servant à
relaxer le champ électrique formé sous l'électrode de grille du côté du drain.
Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un dispositif à semiconducteur à effet de champ comprenant: un substrat de semiconducteur composé semi-isolant; une couche active de semiconducteur composé formée sur
ledit substrat; une couche de barrière à potentiel élevé de semiconducteur com-
posé formée sur ladite couche active de semiconducteur composé du côté du drain, ladite couche de barrière ayant une bande interdite d'énergie plus large que ladite
couche active de semiconducteur composé; une électrode de source et une élec-
trode de drain formées de manière que soit interposée entre elles une région de canal, lesdites électrodes de source et de drain ayant des contacts ohiniques avec ladite couche active de semiconducteur composé; et une électrode de grille formée entre lesdites électrodes de source et de drain et ayant des contacts de Schottky avec ladite couche active de semiconducteur composé du côté source et avec ladite
couche de barrière à potentiel élevé de semiconducteur composé du côté drain.
Une électrode de grille de Schottky est formée partiellement sur une couche de barrière de potentiel du côté drain Par conséquent, le champ électrique est relaxé au voisinage de la partie de bord de l'électrode de grille de Schottky du
côté drain A la partie en échelon de la couche de barrière de potentiel o l'élec-
trode de grille de Schottky est en contact direct avec la couche de canal du côté drain, le champ électrique est également relaxé puisque l'électrode de grille du côté drain fonctionne comme une plaque de champ Puisque l'électrode de grille de Schottky est, du côté source, en contact direct avec la couche de canal, des porteurs peuvent être aisément injectés de la couche de canal dans l'électrode de grille de Schottky lorsqu'une polarisation de sens passant est appliquée à l'électrode de grille.
La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise
à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: les figures 1 A et 1 B sont respectivement une vue en plan et une vue en section droite d'un dispositif à semiconducteur composé à effet de champ selon un mode de réalisation de l'invention; les figures 2 A et 2 B sont respectivement un schéma de circuit dans
lequel le dispositif à semiconducteur composé à effet de champ du mode de réali-
sation des figures IA et 1 B est utilisé, et un graphe montrant les courbes carac-
téristiques du dispositif; les figures 3 A et 3 B sont des vues en section droite montrant des exemples de dispositifs à semiconducteur composé à effet de champ classiques;
les figures 4 A à 4 G sont des vues simplifiées en section droite expli-
quant la différence de fonctionnement entre le dispositif du mode de réalisation des figures 1 A et 1 B et les dispositifs classiques des figures 3 A et 3 B; les figures SA et 5 B sont des schémas de circuit servant à expliquer la circulation d'un courant de grille pour un dispositif à semiconducteur composé à effet de champ lors d'un fonctionnement en grands signaux; la figure 6 est un graphe servant à comparer les caractéristiques du dispositif du mode de réalisation des figures 1 A et 1 B et des dispositifs classiques des figures 3 A et 3 B; les figures 7 A à 7 E sont des vues en section droite servant à expliquer un procédé de fabrication du dispositif à semiconducteur composé à effet de champ représenté sur les figures 1 A et 1 B; et les figures 8 A à 8 D sont des vues en section droite montrant d'autres
configurations de MESFET selon d'autres modes de réalisation de l'invention.
Sur les figures 1 A et 1 B, est représenté un exemple de la structure d'un MESFET selon un mode de réalisation de l'invention La figure 1 A est un schéma
simplifié montrant un motif d'électrodes présent à la surface d'un substrat semi-
conducteur Une électrode de drain 16 présente la forme d'un peigne à cinq dents.
Les cinq dents sont connectées en commun à un plot de liaison supérieur 16 B. Quatre électrodes de source 15 sont disposées sur les aires comprises entre les cinq dents de l'électrode de drain 16 Deux électrodes de source 15 sont connectées en commun à un plot de liaison inférieur 15 B, et les deux autres électrodes de source sont connectées en commun à un autre plot de liaison inférieur 15 B Une électrode de grille 17 est disposée entre les électrodes de source 15 et l'électrode de drain 16 L'électrode de grille 17 a une forme telle qu'elle entoure chaque électrode de source 15 et est connectée à un plot de liaison inférieur 17 B. Dans ce mode de réalisation, c'est à titre d'exemple qu'on utilise quatre électrodes de source On peut fixer le nombre et la forme des électrodes de source
comme on le désire.
Dans un exemple, la largeur (qui est la longueur suivant la direction d'écoulement du courant) des électrodes de source 15 et de drain 16 vaut environ Ium, l'intervalle entre lélectrode de source ou de drain et l'électrode de grille 17 est de 2 à 31 um, et la largeur de l'électrode de grille est d'environ 0,5,um La
longueur de la grille ou du canal (longueur perpendiculaire à la direction découle-
ment du courant) peut être de 50 à 300 uim pour chacun d'eux, et il est possible de modifier le nombre de canaux en fonction de la puissance nominale voulue Un exemple de puissance nominale est donné par 500 m W à 20 G Hz La longueur de
canal totale peut être dans ce cas de 1 mm.
Une section droite prise suivant la ligne l B-l B sur la figure 1 A est représentée sur la figure 1 B On a fait croître une couche tampon 12 de Ga As de type i de façon épitaxiale sur un substrat 11 de Ga As semi- isolant On a fait croître une couche active, ou de canal, 13 faite de Ga As de type N de façon épitaxiale sur la couche tampon 12 de Ga As de type i, et on a fait croître une couche de barrière
de potentiel 14 faite de Ga As de type i de façon épitaxiale sur la couche active 13.
La couche de barrière de potentiel 14 n'est formée que sur une surface particulière de la couche active 13 La partie terminale de la couche de barrière de potentiel 14 est indiquée en 10 L'électrode de grille 17, faite de métal de Schottky, est formée
de manière à chevaucher la partie terminale 10 de la couche de barrière de poten-
tiel 14 Par exemple, une première moitié de l'aire de la grille de Schottky 17 est en contact avec la couche active 13, tandis que l'autre moitié de l'aire est en contact avec la couche de barrière de potentiel 14 Il est préférable que la grille 17 soit en s chevauchement sur la couche de barrière 14 sur une longueur de 100 nm, ou plus,
suivant la direction source-drain.
Des pellicules isolantes 18 faites de Si O 2 sont disposées de part et d'autre de la grille de Schottky 17 L'électrode de source 15 et l'électrode de drain 16 établissant des contacts ohmiques avec le substrat sont formées à l'extérieur des
pellicules isolantes 18, à distance de la grille de Schottky 17.
La couche tampon 12 possède une épaisseur de 1000 mn par exemple et une qualité cristalline appropriée à une poursuite de la croissance épitaxiale sur
sa surface La couche active 13 contient des impuretés de type N à une concentra-
tion de 1 x 1017 cmn 3 par exemple et possède une épaisseur d'environ 200 run La couche de barrière de potentiel 14 est faite de A 1 O,2 Gao, 8 As de type i et possède une épaisseur d'environ 50 nm La couche de barrière de potentiel 14 possède une bande interdite plus large que celle de la couche active 13 faite de Ga As et une résistance supérieure à celle de cette dernière L'électrode de grille de Schottky 17 est faite de Ai par exemple Les électrodes de source et de grille 15 et 16 sont faites d'une couche stratifiée comportant une pellicule de Au Ge d'épaisseur 40 run par
exemple et une pellicule de Au d'épaisseur approximative 400 nm par exemple.
Le dispositif à semiconducteur composé à effet de champ qui est représenté sur les figures 1 A et 1 B est utilisé avec un circuit tel que celui montré sur la figure 2 A Sur la figure 2 A, un dispositif à semiconducteur à effet de champ possède la structure présentée sur les figures l A et 1 B, et une électrode de source 15 est connectée à la terre L'électrode de drain 16 est connectée via une inductance Ld à une source Vds de tension de polarisation de drain et, via un condensateur Cd, à une charge ZL L'électrode de grille 17 est connectée via une inductance Lg et une résistance Rg à une source Vgs de tension de polarisation de
grille et, via un condensateur Cg, à une source de tension d'entrée Pin Les con-
densateurs Cd et Cg sont destinés à permettre que seules des composantes de haute
fréquence les traversent, et les inductances Ld et Lg servent à fournir la polarisa-
tion continue et à intercepter les composantes de haute fréquence.
La figure 2 B est un graphe montrant les caractéristiques du dispositif à semiconducteur composé à effet de champ 100, l'abscisse représentant la tension drain-source Vds et l'ordonnée représentant le courant drainsource Ids Le graphe représente les courbes caractéristiques des courants drain-source en fonction de la tension drain-source, respectivement pour une grande tension de polarisation de grille inverse Vg-, une tension de polarisation de grille Vg O au potentiel de terre et une tension de polarisation de grille en sens passant maximale Vg+ Une ligne de
charge relative à une charge résistive est également représentée dans ce graphe.
Lorsque la tension de grille possède la tension de sens passant maxi-
male, une tension de polarisation de sens passant est appliquée à l'électrode de grille de Schottky Lorsque la tension de grille possède une grande polarisation de
sens inverse, le courant de drain diminue et la tension de drain augmente en deve-
nant voisine de la tension de polarisation de drain.
Pour faciliter la compréhension des caractéristiques du dispositif à semiconducteur représenté sur les figures 1 A et 1 B, on va décrire, en relation avec
les figures 3 A et 3 B, la structure d'un dispositif à semiconducteur classique.
La figure 3 A représente une structure typique d'un MESFET classique.
Comme représenté sur la figure 3 A, on a fait croitre, de manière épitaxiale, sur un substrat de Ga As semi-isolant 51 une couche tampon 52 de Ga As de type i et une couche active 53 de Ga As de type n Une électrode de grille de Schottky 57 a été formée sur la surface de la couche active 53 Des électrodes de source 55 et de
drain 56 établissant des contacts ohmiques ont été formées de manière que l'élec-
trode de grille 57 soit interposée entre elles Lorsqu'on applique une tension de
polarisation inverse à l'électrode de grille de Schottky 57, une couche d'appauvris-
sement 61 se développe sous l'électrode de grille 57 de façon à limiter le passage
du courant 62 qui va de l'électrode de drain 56 à l'électrode de source 55.
Lorsqu'on applique une grande tension de polarisation inverse à l'élec-
trode de grille de Schottky 57 du MESFET représenté sur la figure 3 A, le potentiel de l'électrode de drain 56 s'élève de sorte qu'une tension élevée est appliquée entre l'électrode de grille 57 et l'électrode de drain 56 Dans ces conditions, un champ électrique intense est produit dans la zone de bord de la grille de Schottky 57 du côté de l'électrode de drain 56 Si ce champ électrique intense dépasse le niveau de claquage de l'électrode de Schottky 57, un courant de fuite apparaît Ainsi, des électrons sont injectés de l'électrode de grille de Schottky 57 dans la couche active
53 en direction de l'électrode de drain 56.
On souhaite former la couche active 53 en utilisant un matériau à bande interdite étroite de façon à pouvoir faire facilement circuler un courant voulu dans celle-ci Toutefois, si l'électrode de grille de Schottky est formée directement sur la couche active constituée par un matériau semiconducteur à bande interdite
étroite, la tension de claquage inverse de l'électrode de grille de Schottky s'abaisse.
La figure 3 B montre la structure d'un dispositif à semiconducteur com-
posé à effet de champ classique qui est en mesure d'améliorer la tension de cla-
quage de l'électrode de grille de Schottky Comme dans le cas présent sur la
figure 3 A, on a fait croître, de manière épitaxiale, sur un substrat de Ga As semi-
isolant 51 une couche tampon 52 de Ga As de type i et une couche active 53 de Ga As de type n On a fait croître, de manière épitaxiale, sur la couche active 53, une couche de barrière de potentiel 54 faite de Al Ga As à large bande interdite.
Comme dans le cas représenté sur la figure 3 A, on a formé sur la couche de bar-
rière de potentiel 54 des électrodes de source 55 a et de drain 56 a établissant des contacts ohmiques Il est possible d'améliorer la tension de claquage inverse de l'électrode de grille 57 a du fait que la couche semiconductrice sous-jacente est la couche de barrière de potentiel 54 à large bande interdite Par conséquent, même si on applique à l'électrode de grille 57 a une grande tension de polarisation inverse, le
courant de grille circule difficilement.
Les figures 4 A à 4 C sont des vues simplifiées en section droite qui illustrent la distribution du champ électrique (plans équipotentiels) dans les couches semiconductrices lorsqu'une grande tension de polarisation inverse est
appliquée à l'électrode de grille.
La figure 4 A est une vue en section droite montrant la distribution du champ électrique pour le dispositif à semiconducteur classique de la figure 3 A, la
figure 4 B montre la distribution du champ électrique du dispositif à semiconduc-
teur classique représenté sur la figure 3 B, et la figure 4 C montre la distribution du
champ électrique pour le mode de réalisation du dispositif à semiconducteur repré-
senté sur les figures l A et 1 B. Dans le cas de la figure 4 A, o l'électrode de grille de Schottky 57 est formée directement sur la couche active 53 de Ga As, si on applique une grande tension de polarisation inverse à l'électrode de grille 57, un champ électrique
intense est créé dans la couche de canal 53.
Dans le cas de la figure 4 B, le champ électrique se trouvant sous une électrode de grille 57 a est relaxé par la couche de barrière de potentiel 54 à large
bande interdite qui s'interpose entre l'électrode de grille 57 a et la couche active 53.
Dans le cas de la figure 4 C, la couche de barrière de potentiel 14 s'interpose entre l'électrode de grille 17 et la couche active 13 du côté drain de l'électrode de grille 17 Cette couche de barrière de potentiel 14 relaxe le champ électrique sous l'électrode de grille 17 Le mécanisme de relaxation du champ électrique diffère légèrement entre les cas des figures 4 B et 4 C La figure 4 D est un schéma simplifié expliquant la fonction de l'électrode de grille représentée sur la figure 4 C Comme on peut le voir du côté gauche de la figure 4 D, si on forme une électrode de Schottky 57 directement sur la couche active 13, le champ électrique se concentre sur une partie de bord X Comme illustré à la droite de la figure 4 D, si on retire une partie de l'électrode de Schottky 17 en contact avec la couche active 13, deux parties de bord Y et Z se forment au niveau de la zone o l'électrode de grille 17 est en contact direct avec la couche active 13 et au niveau de la zone se trouvant sous la paroi latérale réelle de l'électrode de grille 17 Au niveau de la partie de bord Y, le champ électrique est relaxé en raison d'un effet analogue à un effet de plaque de champ de l'électrode de grille 17, qui s'étend à droite de la partie de bord Y, lorsqu'on regarde la figure 4 D A la partie de bord Z, le champ électrique est relaxé puisque l'électrode de grille réelle 17 est séparée d'une certaine
distance par rapport à la couche active 13.
Si on remplit l'intervalle vide situé sous l'électrode de grille 17 de la figure 4 D par la couche de barrière de potentiel, bien qu'un champ électrique modéré soit produit dans la couche de barrière de potentiel, les principes de base de
la relaxation de la distribution du champ électrique sont les mêmes.
Par conséquent, dans les cas des figures 4 B et 4 C, même si on applique
une tension élevée entre l'électrode de grille et l'électrode de drain, le champ élec-
trique est relaxé de sorte qu'il se produit rarement de claquage.
Les figures 4 E à 4 G sont des vues en section droite permettant d'expli-
quer comment un courant de grille circule lorsqu'une tension de polarisation de
sens passant est appliquée à une électrode de grille.
La figure 4 E est une vue en section droite correspondant au dispositif à semiconducteur classique de la figure 3 A, la figure 4 F est une vue en section droite correspondant au dispositif à semiconducteur classique de la figure 3 B, et la figure 4 G est une vue en section droite correspondant au mode de réalisation du dispositif à semiconducteur représenté sur les figures 1 A et 1 B Dans les cas des figures 4 E et 4 G, puisque l'électrode de grille 17 ( 57) est en contact direct avec la couche active de Ga As 13 ( 53), le courant circule facilement de l'électrode de grille 17 ( 57) à la couche active 13 ( 53) dès l'application d'une tension de polarisation en sens passant à l'électrode de grille Dans le cas de la figure 4 F, puisque la couche de barrière de potentiel 54 ayant une résistance élevée s'interpose entre l'électrode de grille 57 a et l'électrode de source 55 a, d'une part, et, d'autre part, la couche active 53, le courant de grille ne circule pas facilement lorsqu'on applique une
tension de polarisation en sens passant à l'électrode de grille 57 a.
Le rendement d'addition de puissance ladd, qui est un paramètre important représentant les performances d'un dispositif à semiconducteur haute fréquence, est donné par: Tladd = (Pout Pin)/(Vds Id) 100 (%o) La quantité (Pout Pin) est la différence entre la puissance de sortie et
la puissance d'entrée et représente la puissance amplifiée par le dispositif à semi-
conducteur La quantité Vds Id représente la puissance consommée par le dis-
positif à semiconducteur Le rendement d'addition de puissance rladd est donc le
paramètre qui représente la puissance amplifiée par rapport à la puissance consom-
mée Si l'on suppose que (Pout Pin) et Vds sont constants, la valeur du rendement
à l'addition de puissance Tladd est déterminée par la valeur du courant de drain Id.
La figure SA est un schéma de circuit utilisant un dispositif à semicon-
ducteur composé à effet de champ 100, dans lequel une grande tension de polari-
sation inverse est appliquée à l'électrode de grille Lorsqu'une grande tension de polarisation inverse est appliquée à l'électrode de grille 17 et que l'électrode de drain 16 est maintenue à une tension élevée, un courant de grille Ig circule de
l'électrode de drain 16 à l'électrode de grille 17 Ce courant de grille élève sensi-
blement la tension de polarisation de grille effective et augmente le courant de
drain, si t'on suppose que la tension de grille appliquée depuis l'extérieur à l'élec-
trode de grille 17 est constante.
La figure 5 B est un schéma de circuit expliquant le fonctionnement
dans le cas o une tension de polarisation en sens passant est appliquée à l'élec-
trode de grille 17 Lorsque l'électrode de grille 17 est polarisée en sens passant par rapport à l'électrode de source 15, un courant de grille Ig circule de l'électrode de grille à l'électrode de source Ce courant de grille fait sensiblement varier la tension
de grille dans le sens inverse, c'est-à-dire non passant, si l'on suppose que la ten-
sion de polarisation de grille appliquée depuis l'extérieur à l'électrode de grille 17
est constante Ceci signifie que ce courant de grille Ig limite le courant de drain Id.
Le rendement d'addition de puissance -ladd augmente lorsque le cou-
rant de drain Id diminue Par conséquent, un courant de grille Ig tel que représenté
sur la figure SA n'est pas préférable, puisqu'il augmente le courant de drain Id, tan-
dis que le courant de grille Ig représenté sur la figure 5 B est préférable, puisqu'il
limite le courant de drain Id.
La figure 6 est un graphe montrant les caractéristiques du mode de réa-
lisation du dispositif à semiconducteur des figures 1 A et 1 B, du dispositif à semi-
conducteur classique de la figure 3 A et du dispositif à semiconducteur classique amélioré de la figure 3 B Sur la figure 6, l'abscisse représente la puissance d'entrée Pin, l'ordonnée représente respectivement le rendement d'addition de puissance
1 add, le courant de grille Ig et le courant de drain Id.
La tension négative indiquée par "polarisation" sur la figure 2 B était appliquée aux électrodes de grille Lorsque la puissance Pin du signal d'entrée augmente, la tension de grille effectue des excursions haute et basse par rapport à la tension de polarisation ci-dessus mentionnée "polarisation" Lorsque la tension
du signal devient négative, la tension de grille totale devient encore plus négative.
Dans le cas du dispositif à semiconducteur classique de la figure 3 A, lorsque la
puissance Pin du signal d'entrée augmente, un courant de grille inverse Ig com-
mence à circuler puisque la tension de claquage inverse de son électrode de grille de Schottky est basse Ce courant de grille inverse Ig augmente le courant de drain Id Lorsque la puissance Pin du signal d'entrée augmente encore, la tension positive du signal d'entrée - dépasse la tension de polarisation inverse, de sorte qu'une
polarisation de sens passant est appliquée à l'électrode de grille De ce fait, un cou-
rant direct, c'est-à-dire de sens passant, circule dans l'électrode de grille, et le
courant de grille total Ig passe d'une valeur négative à une valeur positive L'aug-
mentation de ce courant de grille direct Ig réduit le courant de drain Id et augmente le rendement d'addition de puissance iladd Dans le cas du dispositif à semiconducteur classique amélioré de la figure 3 B, un courant de grille inverse ne circule pas facilement, car l'électrode de grille possède une tension de claquage inverse améliorée De ce fait, même si la
puissance d'entrée augmente, le courant de grille inverse circule avec peine.
Toutefois, même si la tension de grille devient une polarisation de sens passant, le courant de grille Ig n'est pas facile à faire circuler et passe d'une valeur négative à une valeur positive en raison de la couche de barrière de potentiel Par conséquent, dans la région qui possède une puissance d'entrée Pin accrue, le courant de drain Id
augmente et le rendement d'addition de puissance Tladd baisse.
Dans le cas du dispositif à semiconducteur des figures 1 A et 1 B cons-
tituant le mode de réalisation, l'électrode de grille possède une tension élevée de claquage en sens inverse et il est facile d'injecter du courant de l'électrode de grille dans la couche active Par conséquent, dans lasituation o la puissance d'entrée Pin augmente, le courant de grille Ig inverse n'est pas facile à faire circuler et le il
courant de grille Ig direct est facile à faire circuler Le courant de drain Id aug-
mente donc rarement et le rendement d'addition de puissance -ladd est maintenu à un niveau élevé De cette manière, la caractéristique du dispositif à semiconducteur
constituant le mode de réalisation n'incorpore que les bonnes parties des carac-
téristiques du dispositif à semiconducteur classique et du dispositif à semiconduc-
teur classique amélioré.
Les figures 7 A à 7 E sont des vues en section droite latérale illustrant les principales opérations d'un procédé de fabrication d'un MESPET selon un mode de réalisation de l'invention On va décrire en détail le procédé de fabrication en se reportant aux figures 7 A à 7 E. Comme on peut le voir sur la figure 7 A, on a fait croître sur un substrat 21 de Ga As, au moyen d'un procédé d'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE), une couche tampon 22 de Ga As, une couche active 23 de Ga As et une couche de barrière à potentiel élevé 24 de Al Ga As Au lieu du procédé MBE, on peut employer d'autres procédés de croissance cristalline, comme par exemple le dépôt chimique d'organométalliques en phase vapeur (MOCVD) Le substrat 21 est fait de Ga As semi-isolant La couche tampon 22 est faite de Ga As de type i et possède une épaisseur de 1000 nm La couche active 23 est faite de Ga As de type N et possède une concentration en impuretés de 1 x 1017 cmn 3 et une épaisseur de 200 nm La couche de barrière de potentiel 24 est faite de Alx Gal-x As (o x = 0,2) de type i est possède une épaisseur de 50 nm L'épaisseur de la couche de barrière de potentiel 24 est de préférence comprise dans l'intervalle de 20 à
nm Si l'épaisseur est inférieure à 20 nm, un courant d'effet tunnel est suscep-
tible de circuler, et, si l'épaisseur est supérieure à 100 nm, l'effet de plaque de
champ de l'électrode de grille possédant un échelon devient faible.
A l'aide d'un procédé photolithographique, on forme une pellicule d'agent sensible du type réserve 25 qui présente une ouverture allant jusqu'au côté source et partant sensiblement du centre de l'aire o une électrode de grille doit être formée. On grave par voie humide la couche de barrière à potentiel élevé 24 qui s'étend jusqu'au côté source en utilisant comme agent de gravure de l'acide
fluorhydrique tamponné.
Comme on peut le voir sur la figure 7 B, après avoir enlevé la pellicule d'agent sensible 25, on dépose une pellicule isolante 26 faite de Si O 2 jusqu'à une
épaisseur de 300 nm par exemple, par dépôt chimique en phase vapeur (CVD).
A l'aide d'un procédé photolithographique, on forme une pellicule d'agent sensible de type réserve 27 qui présente des ouvertures à l'endroit des aires
o les électrodes de source et de drain sont formées.
Comme on peut le voir sur la figure 7 C, en utilisant la pellicule d'agent sensible 27 comme masque, on grave par voie humide la pellicule isolante 26 faite de Si O 2 en utilisant comme agent de gravure de l'acide fluorhydrique tamponné, si
bien qu'on forme des fenêtres de contact d'électrodes de source et de drain.
Sans retirer la pellicule d'agent sensible 27, on fait déposer en phase
vapeur une pellicule de matériau d'électrode faite de Au Ge/Au, jusqu'à une épais-
seur de 40 nm/400 nm par exemple.
On retire la pellicule dagent sensible 27 en immergeant le substrat dans un liquide permettant d'éliminer l'agent sensible, comme l'acétone On en
décolle simultanément la pellicule d'électrode se trouvant sur l'agent sensible.
Ainsi, la pellicule de matériau d'électrode faite de la couche de Au Ge/Au est sou-
mise à un tracé de motif amenant la formation d'une électrode de source 28 et d'une
électrode de drain 29.
A l'aidé d'un procédé photolithographique, on forme une pellicule d'agent sensible du type réserve 30 qui présente une ouverture au niveau de l'aire o une électrode de grille est formée Pour la formation de l'ouverture, on aligne le bord de la couche de barrière à potentiel élevé 24 sensiblement avec le centre de la
grille suivant la direction de sa largeur.
Comme on peut le voir sur la figure 7 D, en utilisant la pellicule d'agent sensible 30 comme masque, on grave par voie humide la pellicule isolante 26 faite de Si O 2 en utilisant comme agent de gravure de l'acide fluorhydrique tamponné, si
bien qu'on forme une fenêtre 30 A de contact d'électrode de grille.
Par la fenêtre de contact d'électrode de grille 30 A, on expose une partie
de la couche de barrière à potentiel élevé 24 et une partie de la couche active 23.
On dépose en phase vapeur une pellicule de AI jusqu'à une épaisseur
de 700 nm par exemple.
Comme on peut le voir sur la figure 7 E, on retire la pellicule d'agent sensible 30 tout en décollant la pellicule de AI qui a été déposée sur cette dernière, par immersion du substrat dans un liquide permettant d'éliminer l'agent sensible,
comme l'acétone Ainsi, la pellicule de AI a subi un tracé de motif amenant la for-
mation d'une électrode de grille 31.
L'électrode de grille 31 est en contact avec la couche de barrière à potentiel élevé 24 du côté drain et est en contact avec la couche active 23 du côté source. Pour compléter le MESPET, on forme une pellicule 32 de Si N par dépôt chimique en phase vapeur par plasma (CVD par plasma). Le MESFET fabriqué au moyen des opérations ci-dessus présentées possède un rendement d'addition de puissance qadd amélioré, car le courant ne circule pas facilement via le trajet drain-grille, mais circule facilement via le trajet grille-source, comme décrit en relation avec les figures 4 A à 4 G.
Alors que la description a été faite dans le cas o une électrode de drain
était formée sur une couche de barrière de potentiel, l'électrode de drain peut également être directement formée sur la couche active De plus, la configuration
de l'électrode de grille n'est pas limitée à celle ci-dessus décrite.
Les figures 8 A à 8 D montrent d'autres configurations de MESFET selon dautres modes de réalisation de l'invention Sur la figure 8 A, on peut voir qu'une électrode de drain 16 a est formée sur une couche active 13 et établit un contact ohmique avec cette dernière Une électrode de grille 17 est disposée en partie sur la couche active 13 et en partie sur une couche de barrière de potentiel 14, et établit des contacts de Schottky avec elles La couche de barrière de potentiel 14 est insérée entre l'électrode de grille 17 et la couche active 13 du côté drain,
mais ne s'étend pas jusqu'à l'électrode de drain 16 a Les autres points sont ana-
logues au mode de réalisation ci-dessus décrit.
Sur la figure 8 B, une électrode de grille 17 a est disposée sur la couche
active 13 et possède un prolongement en direction de l'électrode de drain 16 a au-
dessus de la couche active Ce prolongement est séparé de la couche active par un
intervalle de vide Le prolongement de l'électrode de grille 17 a réalise une relaxa-
tion de la concentration du champ, qui, sinon, se serait établie au niveau du bord de la surface de contact de l'électrode de grille 17 a, du côté drain Les autres points
sont analogues à la configuration de la figure 4 A L'intervalle vide peut être rem-
placé par une région isolante quelconque.
Sur la figure 8 C, une électrode de grille 17 b est disposée sur une couche de barrière de potentiel 14 a, laquelle est elle-même formée sur la couche active 13 et comporte un échelon La couche de barrière de potentiel 14 a a une plus grande épaisseur du côté drain et une plus petite épaisseur du côté source Ainsi, la distance entre l'électrode de grille 17 b et la couche active 13 est plus grande du côté drain Par conséquent, la distribution du champ électrique sous l'électrode de
grille 17 b est relativement relaxée du côté drain.
Sur la figure 8 D, on peut voir qu'une électrode de grille 17 c est dis-
posée sur des couches de barrière de potentiel 14 b et 14 c, lesquelles sont elles-
mêmes formées sur la couche active 13 Les couches de barrière de potentiel 14 b et 14 c ont la même épaisseur, mais présentent des effets différents de relaxation de champ La distribution du champ dans la couche de barrière de potentiel 14 c est plus relaxée que dans la couche de barrière de potentiel 14 b Les autres points sont identiques à ceux présentés sur la figure 8 A. Dans les configurations des figures 8 A à 8 D, la distribution du champ électrique au niveau du coin de l'électrode de grille situé du côté drain est relaxée, de la même façon que dans les modes de réalisation présentés sur les figures l A et
1 B, par la structure d'électrode de grille et, ou bien, la couche de barrière de poten-
tiel se trouvant sous l'électrode de grille.
La présente invention a été décrite en relation avec les modes de réa-
lisation préférés L'invention n'est pas limitée aux seuls modes de réalisation ci-
dessus Par exemple, il suffit que la couche de barrière de potentiel ait une bande interdite plus large que la couche de canal Les matériaux du substrat/du canal/de la barrière de potentiel peuvent être Ga As (In P) / In Ga As / Al Ga As ou In P / In P / In Ga P Le matériau destiné aux contacts ohmiques et à l'électrode de Schottky n'est
pas limité.
Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir des
dispositifs dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et
nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de
l'invention.

Claims (12)

REVENDICATIONS
1 Dispositif à semiconducteur à effet de champ, caractérisé en ce qu'il comprend: une couche active ( 13) de semiconducteur composé; une paire de structures délectrodes de courant ( 15, 16) formées sur ladite couche active et établissant des contacts ohmiques avec cette dernière;
une électrode de grille ( 17) disposée entre les deux structures d'élec-
trodes de courant et sur ladite couche active, et établissant un contact de Schottky avec elle; et un moyen ( 14) permettant de relaxer le champ électrique formé sous l'électrode de grille du côté d'une première desdites deux structures d'électrodes de courant.
2 Dispositif à semiconducteur à effet de champ selon la revendica-
tion 1, caractérisé en ce que ledit moyen comprend une couche de barrière de potentiel ( 14) formée d'un semiconducteur qui possède une bande interdite d'énergie plus large que ledit semiconducteur composé et disposée entre une partie de l'électrode de grille, située du côté de ladite première structure d'électrode de
courant, et ladite couche active.
3 Dispositif à semiconducteur à effet de champ selon la revendica-
tion 1, caractérisé en ce que ledit moyen comprend un intervalle formé entre une partie de l'électrode de grille, située du côté de ladite première structure délectrode
de courant, et ladite couche active.
4 Dispositif à semiconducteur à effet de champ selon la revendica-
tion 1, caractérisé en ce que ledit moyen comprend une couche de barrière de potentiel formée d'un semiconducteur qui possède une bande interdite d'énergie plus large que ledit semiconducteur composé et disposée entre ladite électrode de grille et ladite couche active, la couche de barrière ayant une plus grande épaisseur du côté de ladite première structure d'électrode de courant que du côté de l'autre
desdites structures d'électrodes de courant.
Dispositif à semiconducteur à effet de champ selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que ledit moyen comprend une couche de barrière de potentiel formée d'un semiconducteur qui possède une bande interdite d'énergie plus large que ledit semiconducteur composé et disposée entre ladite électrode de
grille et ladite couche active, la couche de barrière ayant, du côté de ladite pre-
mière structure d'électrode de courant, un effet de relaxation différent de celui
apparaissant du côté de l'autre desdites structures d'électrodes de courant.
6 Transistor à effet de champ selon la revendication 2, caractérisé en
ce que ladite couche de barrière s'étend et est disposée également entre ladite pre-
mière structure d'électrode de courant et la couche active. 7 Dispositif à semiconducteur à effet de champ, caractérisé en ce qu'il comprend: un substrat semiconducteur composé semi-isolant; une couche active de semiconducteur composé ( 13) formée sur ledit substrat;
une couche de barrière à potentiel élevé ( 14) de semiconducteur com-
posé qui est formée sur ladite couche active de semiconducteur composé du côté drain, ladite couche de barrière ayant une bande interdite d'énergie plus large que ladite couche active de semiconducteur composé; une électrode de source ( 15) et une électrode de drain ( 16) formées de façon qu'une région de canal soit interposée entres elles, lesdites électrodes de source et de drain établissant des contacts ohmiques avec ladite couche active de semiconducteur composé; et une électrode de grille ( 17) formée entre lesdites électrodes de source et de drain et établissant des contacts de Schottky avec ladite couche active de
semiconducteur composé du côté source et avec ladite couche de barrière à poten-
tiel élevé de semiconducteur composé du côté drain.
8 Dispositif à semiconducteur composé à effet de champ selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite couche de barrière de potentiel est
faite de Al Ga As.
9 Dispositif à semiconducteur composé à effet de champ selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite couche active est faite de Ga As ou de
In Ga As.
Dispositif à semiconducteur composé à effet de champ selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite couche de barrière de potentiel est
faite de Al Ga As.
11 Dispositif à semiconducteur composé à effet de champ selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite électrode de grille de Schottky est faite
de Ai.
12 Dispositif à semiconducteur composé à effet de champ selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite électrode de drain présente une forme
en peigne, et ladite électrode de source est disposée entre les dents dudit peigne.
13 Dispositif à semiconducteur composé à effet de champ selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite électrode de grille entoure ladite
électrode de source entre les dents dudit peigne.
14 Dispositif à semiconducteur composé à effet de champ selon la
revendication 7, caractérisé en ce que ladite couche de barrière de potentiel pos-
sède une épaisseur de 20 à 100 mn.
15 Dispositif à semiconducteur composé à effet de champ selon la
revendication 7, caractérisé en ce que ladite électrode de grille est en chevauche-
ment sur ladite couche de barrière de potentiel sur au moins 100 mn.
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